Abstract:

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia, and the total number of AF patients is constantly increasing. The mechanisms leading to and sustaining AF are not completely understood yet. Heterogeneities in atrial electrophysiology seem to play an important role in this context. Although some heterogeneities have been used in in-silico human atrial modeling studies, they have not been thoroughly investigated. In this study, the original electrophysiological (EP) models of Courtemanche et al., Nygren et al. and Maleckar et al. were adjusted to reproduce action potentials in 13 atrial regions. The parameter sets were validated against experimental action potential duration data and ECG data from patients with AV block. The use of the heterogeneous EP model led to a more synchronized repolarization sequence in a variety of 3D atrial anatomical models. Combination of the heterogeneous EP model with a model of persistent AF-remodeled electrophysiology led to a drastic change in cell electrophysiology. Simulated Ta-waves were significantly shorter under the remodeling. The heterogeneities in cell electrophysiology explain the previously observed Ta-wave effects. The results mark an important step toward the reliable simulation of the atrial repolarization sequence, give a deeper understanding of the mechanism of atrial repolarization and enable further clinical investigations.

Abstract:

Anatomische und elektrophysiologische Modelle des menschlichen Vorhofs ermöglichen die Untersuchung verschiedener physiologischer und pathologischer Zusammenhänge. Beispielsweise kann die Entstehung von Vorhofflimmern oder die Wirkung einer Ablation vor der Operation untersucht werden. Die Qualität solcher Untersuchungen hängt davon ab, wie genau das verwendete Modell die Wirklichkeit abbildet.In früheren Arbeiten wurden bereits elektrophysiologische Heterogenitäten für Strukturen im rechten Vorhof in das Zellmodell von Courtemanche et al. implementiert. Darauf aufbauend wurde dieses Modell nun um Strukturen aus dem linken Vorhof, sowie dem interatrialen Septum, erweitert. Das Modell enthält nun ein breites Spektrum von Aktionspotentialmorphologien im menschlichen Vorhof. Es reicht von fast dreieckigen Aktionspotentialen im Septum mit einer Aktionspotentialdauer von 200ms bis zu Aktionspotentialen mit einer ausgeprägten Plateauphase und Aktionspotentialdauern von 300ms in der Crista Terminalis. Diese Vielfalt könnte eine mögliche Erklörung für die verschiedenen vorhandenen elektrophysiologischen Modelle des Vorhofmyokards sein.Die in dieser und früheren Arbeiten implementierten Heterogenitäten wurden auf zwei anatomische Modelle übertragen. In Simulationen der Erregungsausbreitung konnte gezeigt werden, dass die Heterogenitäten des Vorhofmyokards zu einer gleichmäßigeren Repolarisation der Vorhöfe führen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Heterogenitäten zu einer stetigen Abnahme der APD mit dem Abstand zum Sinusknoten führen. Des weiteren ist, bedingt durch die kürzere APD einiger Heterogenitäten verglichen mit dem originalen CRN-Modell, die Repolarisationszeit in den heterogenen Modellen kürzer als in den homogenen Modellen. Um sprunghafte Änderungen der elektrophysiologischen Eigenschaften an den Gewebegrenzen in den Modellen zu vermeiden, wurden Gradienten zwischen diesen in die Modelle implementiert. Für diese Aufgabe wurde ein Skript erstellt, welches die benötigten Operationen automatisiert durchführt. Dieses Skript kann leicht auf weitere anatomische Vorhofmodelle angewendet werden. In den Simulationen führten diese Gradienten nochmals zu einer leicht gleichmäßigeren Repolarisation verglichen mit den Modellen ohne Gradienten.Um die Auswirkungen der Heterogenitäten auf die Repolarisation der Vorhöfe weiter zu untersuchen wurden aus den Simulationsergebnissen der Erregungsausbreitung Vektorkardiogramme erstellt. Auch in diesen zeigte sich, dass die implementierten Heterogenitäten zu einer Verringerung der Amplitude der Ta-Welle und damit zu einer gleichmäßigeren Repolarisation der Vorhöfe führen.